某高層酒店結構方案優化設計

楊信 石建光 陳家偉

(廈門大學土木工程系 福建廈門 361000)

某高層酒店結構方案優化設計

楊信 石建光 陳家偉

(廈門大學土木工程系 福建廈門 361000)

某高層酒店為一棟40層超限高層建筑，房屋高度為174.1m，采用框架核心筒結構，該結構在34層位置采用了梁式轉換。為了節約建造成本，優化方從荷載的精確取值、梁系布置及樓板厚度的調整、型鋼柱型鋼尺寸調整、剪力墻開洞及厚度調整、柱的準確歸并及計算軟件的選擇等方面對該工程進行優化。最終，與原方案相比，優化方案節省鋼筋576.44t，型鋼183.46t，混凝土1838.7m3，總計節省直接材料費337.5萬元。

高層酒店；超限；優化設計；結構計算指標；工程量

E-mail:394498484@qq.com

0 引言

某高層酒店是由酒店塔樓、辦公塔樓、商業裙房、地下室組成的建筑群。本文僅對酒店塔樓工程深入優化展開敘述。酒店塔樓為一棟40層超限高層酒店建筑，主體建筑高度H=174.10m，屬于高規[1]中B級高度的建筑，結構高寬比174.1/32.0=5.44，酒店塔樓的長寬比L/B=32.0/32.0=1.0。地面一層有部分越層柱直通二層，因此在計算的時刻需要考慮包絡設計。到35層以上結構平面內收，采用了梁式轉換，12根框架柱對4跟進行了轉換，因此豎向存在不規則，同時35層平面層高變為8.4m，36層層高4.5m，懸殊的層高導致豎向剛度突變，35層為薄弱層。

工程設計使用年限50年，建筑結構安全等級二級，地基基礎設計等級為甲級，抗震設防類別為丙類[2]，抗震設防烈度為6度，水平地震響應系數最大值為0.052，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，Tg=0.40s，基本風壓ω0=0.35kN/m2地面粗糙度為B類。最終整體結構模型見圖1，最終結構平面圖見圖2、圖3所示。

圖2 35層以下標準層建筑平面圖

圖3 35層以上標準層建筑平面圖

1 方案優化

1.1 荷載

方案優化階段,對荷載進行精確取值，除了按照實際梁高對梁間荷載進行調整，將梁間荷載乘以相應的折減系數之外，還將幕墻荷載按照實際取值。原方案將幕墻荷載統一按照層高較高的樓層的幕墻荷載取值，導致大部分樓層的幕墻荷載偏大。例如：原方案中，層高5.0m以及4.0m的幕墻荷載全部按照5.0m×2.0kN/m2=10.0kN/m取值。現在，將幕墻荷載按照實際層高取值，將層高為4m的樓層的幕墻荷載通過實際計算，按照4.0m×2.0kN/m2=10.0kN/m取值，與原方案之間相差20%。優化后，施加在外圈梁上的幕墻荷載減小了許多。

1.2 梁

優化方提出，將縱橫向的次梁搭接到核心筒剪力墻上，這樣有利于結構傳力。實際情況由于核心筒周圍是酒店走廊，上方盡量不要通梁，并且設備專業已經將管道、設備布置完畢，不能修改，更不能讓管道穿過次梁。若能在方案階段就對建筑及設備專業提出建議，便可協調各個專業，使得最終設計方案趨于最優。因此在深入優化中，優化方將次梁搭接到核心筒上，增加梁系布置的整體性[3]。

1.3 墻

原方案中，剪力墻上下開洞不連續，并且剪力墻按統一厚度直通頂層。方案優化階段，優化方對局部剪力墻上下開洞不連續，僅按照建筑開門洞的做法做出相應調整，優化后，在剪力墻局部位置補開結構洞，補開結構洞，即在三十五層至四十層南側核心筒補開800mm×2000mm的結構洞，使上下剪力墻間開洞連續。同時，相應減小剪力墻的厚度，即將三十五層至四十層的剪力墻厚度由原先的300mm減小為250mm[4]。

1.4 柱

原優化方案，設計方柱的施工圖歸并系數過大，將配筋量差別較大的柱子統一按照較大配筋量的柱子歸并，導致許多柱子配筋過大。例如，36至40層，KZ8的計算縱筋值為91，而實配卻達到了129，之間相差了29.46%。方案優化階段，減小了歸并系數，盡量按照實際情況對結構柱進行配筋。

1.5 結構計算軟件的選擇

盈建科軟件對剪力墻連梁提供按照分縫連梁設計、配置斜向交叉鋼筋等減少連梁內力或配筋的措施；對帶邊框柱或型鋼、型鋼混凝土柱剪力墻的配筋按照柱和剪力墻組合在一起的工形截面或T形截面配筋，可使邊緣構件配筋量大大減少；對剪力墻軸壓比自動采用組合墻肢方式計算，給出全新的剪力墻邊緣構件設計結果等。因此優化方提出使用盈建科軟件進行結構計算及設計能夠利用該軟件上述優勢，使得配筋量上得以優化。在深入優化中，采用盈建科軟件進行結構計算與設計。

2 方案優化結果

通過方案優化，不僅結構計算指標仍然符合相應規范的要求，工程量有了更多的節省。優化后的結構計算指標與原方案的對比，如表1所示：

優化后的工程量與原方案工程量的對比，如表2、表3所示：

表1 結構計算指標對比

表2 方案優化前后鋼材用量變化表

注：數值為正表示增加，數值為負表示減少。

表3 方案優化前后混凝土用量變化表

注：數值為正表示增加，數值為負表示減少。

3 施工圖優化

結構優化可以是從方案、施工圖兩個階段分別介入進行。對于方案階段的優化，由于介入早，各專業的溝通協調方便，可以提出的優化建議多，因此優化的空間大；而施工圖階段的優化，由于介入時間晚，許多方面已經無法修改，僅能對施工圖進行細致審核優化，因此優化空間受限，許多優化方案無法實施。施工圖階段的優化，優化方與設計方溝通交流后，經業主方認可，決定僅對荷載、梁系布置、板厚以及型鋼柱進行優化設計。

3.1 荷載的精確取值

原方案在荷載的選取上偏于保守，對于高度比較大的梁，其下層梁上的荷載統一按較小梁高計算梁上荷載。大部分的次梁，梁上荷載計算時直接按照梁高高的取值，所以荷載取值過大。某些梁間荷載沒有乘以門窗折減系數。因此，本工程對梁間荷載進行調整，按照實際梁高對梁間荷載進行了調整，并且將梁間荷載乘以相應的折減系數。通過荷載精確計算后，建筑結構自重減小了約9.03%。

3.2 梁系布置及樓板厚度的調整

原方案角部有四根斜梁連接角柱與核心筒，此種布置方案使得結構構件傳力不夠明確，并且產生一系列不規則的樓板，同時有四根大梁交接于在核心筒角部位置，嚴重影響該位置的施工。因此，本項目對原方案進行了調整，次梁的布置形式改成了雙向或者十字、井字梁布置形式，雖然次梁的數目有所增加，但主梁與次梁的截面面積均減小，總的配筋量降低，樓板厚度適當減小，樓板的配筋也適當減少(圖4、圖5)。

圖4 原方案樓板結構布置

圖5 優化后樓板結構布置

3.3 型鋼柱優化

本項目對型鋼柱中鋼骨尺寸進行優化，使型鋼柱的含鋼率滿足規范規定的大于4%，小于10%的要求[5-6]，考慮到經濟性，盡量使含鋼率控制在4%左右。本項目還對型鋼柱直通的樓層數進行優化調整。通過計算優化后，如表1所示，位移角、周期比、剪重比等技術指標與原方案相比，變化不大，最大位移比，結構總質量，周期等參數甚至比原方案更加優越，在滿足相關規范要求下，最后型鋼柱從底層直通到二十七層，相比于原方案，優化后型鋼用量減少了20.84%。

4 方案優化與施工圖優化對比

通過施工圖優化，使得結構施工圖配筋量明顯下降，梁、柱、剪力墻的鋼筋用量、混凝土用量、型鋼用量有了明顯的減少；雖然優化后，結構計算指標相比于原方案有所下降，但是均滿足相應規范的要求[7-8]，不會影響結構的正常使用。主要原因在于，通過荷載精確取值與樓蓋結構優化，使得結構總重量有了明顯的減小，樓蓋結構傳力更加明確；隨之帶來的影響是，梁、柱、剪力墻的配筋都減少，樓板厚度可以調薄，甚至型鋼柱的直通樓層數都相應減少。因此對于工程設計而言，荷載的選取和樓蓋結構的選取是至關重要的。

雖然施工圖優化工作取得一定成果，但是由于介入該工程的時間是在設計院完成了結構設計之后，許多建筑方案，結構方案，設備方案等不允許調整。因此優化工作只能從荷載的精確取值、梁系布置及樓板厚度的調整及型鋼柱的優化三個方面進行。若優化工作能從方案階段介入，進行方案優化，統籌全局，協調建筑、結構、設備等各個專業，對各個專業的設計方案提出優化建議，并且能將優化方的優化建議落實到工程中去，那么優化的成果將有進一步的進展。

方案優化節省鋼筋576.44t，型鋼183.46t，混凝土1838.7m3，通過查閱工程同期的鋼筋、型鋼、混凝土的政府建議價格，估計方案優化節省直接材料費423.4萬元。施工圖優化大約節省直接材料費337.5萬元，方案優化比施工圖優化多節省了材料費25.45%，充分體現了方案優化相對于施工圖優化的優越性。

5 結論及建議

通過本次工程的優化設計，充分體現出優化單位對于一個工程項目的重要性。優化單位所要做的不僅僅是代表業主方的利益進行優化工程量，節省鋼筋、混凝土，改進結構設計，方便施工，節省工期等，還要統籌兼顧全局，協調整個項目當中各個單位之間的工作，積極與業主方以及設計方進行溝通交流，促進工作順利進行，盡量避免返工。各方應進行積極溝通與配合，確保優化工作有條不紊地進行。再次，筆者建議：

(1)結構優化設計，應從項目方案階段就介入，了解設計方各個專業之間的工作，從建筑方案階段就對各個專業提出優化建議，避免已經出了結構施工圖以后，再進行優化，那樣協調各方將會變得困難，想要相關專業進行變更也就變得不切實際。

(2)優化設計應細致入微，不可一切均遵循經驗辦事，更不可因為麻煩而將荷載按照統一大小布置，將配筋的歸并系數放大，使得配筋量差異較大的構件，按照統一的配筋量進行配筋。

(3)結構設計不能僅僅滿足于規范規定，刻意保守設計，造成不必要的浪費，還應充分調動項目各方的工作積極性，發揮設計人員、優化人員的聰明才智，使得優化設計出來的成果，即安全可靠，又經濟適用[9]。

(4)優化設計，要兼顧施工成本與工期，盡量做到不僅結構性能指標滿足規范要求，結構整體還便于施工，成本上，工期上均為業主方創造最大利益。

[1]JGJ3-2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]GB 50223-2008,建筑工程抗震設防分類標準[S].

[3]江歡成,丁朝輝,杜剛,等.重慶某超限高層結構優化設計[J].建筑結構.2004,34(6),3-6.

[4]康為江,酈世平.高層建筑中豎向結構的選型與布置探討[J].建筑技術.2005,36,(11).858-860.

[5]YB9082-2006，鋼骨混凝土結構技術規程[S].

[6]JGJ 138-2001，型鋼混凝土組合結構技術規程[S].

[7]GB 50010-2010，建筑抗震設計規范[S].

[8]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[9]沈汝偉.對建筑結構優化設計的探討[J].煤炭技術.2011,30(4).242-243.

楊 信(1990.6- )，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結構的性能和設計方法及動力反應分析方面的研究。

石建光(1962.2- )，男，碩士生導師，主要從事鋼筋混凝土結構的性能和設計方法及動力反應分析方面的研究。

陳家偉(1991.4- )，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結構的性能和設計方法及動力反應分析方面的研究。

A high-rise hotel structure optimization design

YANGXinSHIJianguangCHENJiawei

(Department of Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361000)

A high-rise hotel is a 40-story High-rise buildings, houses a height of 174.1 meters, using the framework of the core tube structure which position adopted at the 34th floor beam conversion. In order to save construction costs, optimize the load side from the exact value of the beam line layout and adjustment of the slab thickness, type of steel column-beam sizing, shear wall openings and adjust the thickness of the column and calculate accurately merge software selection and other aspects of the project optimization. Eventually, compared with the original plan, optimization save steel 576.44t, 183.46t of steel, concrete 1838.7m3, saving a total of 3.375 million yuan direct material costs.

High-rise hotel;Overrun;Optimal design;Structural calculation index;Quantities

楊信(1990.6- )，男。

2015-10-14

TU973

A

1004-6135(2015)12-0060-05